JP7246399B2 - 純水製造システム及び純水製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、純水製造システム及び純水製造方法に関する。
従来、半導体や液晶ディスプレイの製造工程で用いられる洗浄用水や医薬用水等に適用される純水の製造において、電気式脱イオン装置（ＥＤＩ）が用いられている。電気式脱イオン装置は、装置内のイオン交換体を電気的に再生しながら、原水の脱イオン処理を行う。そのため、電気式脱イオン装置では、イオン交換樹脂塔のように薬剤による再生を必要とせず、連続採水が可能である。
電気式脱イオン装置は、カチオン（陽イオン）のみを透過させるカチオン交換膜とアニオン（陰イオン）のみを透過させるアニオン交換膜との間にイオン交換体を充填して脱塩室を構成し、カチオン交換膜及びアニオン交換膜の外側に濃縮室を配置した構成である。そして、脱塩室から見てアニオン交換膜側に電極室（陽極室）を介して陽極を、カチオン交換膜側に電極室（陰極室）を介して陰極を配置する。陽極と陰極との間に直流電圧を印加した状態で脱塩室に被処理水を通水すると、被処理水中のイオン成分は脱塩室内のイオン交換体に捕捉されるとともに、水の解離反応によって生成する水素イオン（Ｈ＋）と水酸化物イオン（ＯＨ－）によって、イオン交換体の再生が行われる。
このようにして、電気式脱イオン装置において被処理水は脱塩室を通過することで脱イオンされ精製される。一方、濃縮室および電極室にも、例えば、被処理水が通水される。濃縮室および電極室を通水する被処理水中には脱塩室から移動したイオン成分が濃縮されて、濃縮水となって電気式脱イオン装置の外に排出される。
この電気式脱イオン装置を用いた純水製造システムとして、逆浸透膜装置（ＲＯ）で脱イオン水を得て、紫外線酸化装置（ＴＯＣ－ＵＶ）でこの脱イオン水中の有機物成分を分解したのち、紫外線酸化装置で生じた低分子量の有機酸などのイオン成分を電気式脱イオン装置で処理するシステムがある。このような電気式脱イオン装置を設けたシステムとして、電気式脱イオン装置を２段で設け、脱塩室処理水の一部を濃縮室に通水するシステムや（例えば、特許文献１参照。）、紫外線酸化装置で発生する酸化成分によるイオン交換体の劣化を防止する目的で、紫外線酸化装置と電気式脱イオン装置の間に紫外線酸化装置よりも長波長の紫外線を照射する紫外線殺菌装置を設けるシステムも提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
近年、大規模集積回路（ＬＳＩ）の超高集積化に伴い、半導体製造用の超純水のさらなる高水質化の要望が高まっている。特に、水中のシリカやホウ素などの微量不純物を著しく低濃度化した超純水が求められている。しかしながら、微量不純物の除去率を向上させようとすると、従来の電気脱イオン装置を２段で設ける方法では、電気脱イオン装置における水回収率や電流効率が低下するという問題がある。紫外線ランプを２段設ける装置では、使用する装置の数が増えることで、システムが複雑化したりコストが増大したりする問題がある。そのため、高水質の純水を長期間効率よく製造することのできる方法が求められていた。
本発明は上記した課題を解決するためになされたものであって、高水質の純水を長期間安定的に製造することのできる純水製造システム及び純水製造方法を提供することを目的とする。
本発明の純水製造システムは、逆浸透膜装置と、紫外線酸化装置と、電気式脱イオン装置と、これらの装置を上流側からその順に接続する処理水管を備える純水製造システムであって、前記電気式脱イオン装置は、交互に配置されたカチオン交換膜及びアニオン交換膜と、前記カチオン交換膜及びアニオン交換膜の間に交互に形成された濃縮室及び脱塩室と、前記カチオン交換膜及びアニオン交換膜の外側に配置される１対の電極室と、を備えており、前記処理水管は前記紫外線酸化装置で処理された処理水を前記電気式脱イオン装置の少なくとも脱塩室に供給するように前記電気式脱イオン装置に接続されるとともに、前記純水製造システムは、前記逆浸透膜装置の透過水を前記紫外線酸化装置を介さずに前記電気式脱イオン装置の電極室に供給する第１のバイパス管を具備することを特徴とする
本発明の純水製造システムは、前記逆浸透膜装置の透過水を、前記紫外線酸化装置を介さずに前記電気式脱イオン装置の濃縮室に供給する第２のバイパス管をさらに具備することが好ましい。
本発明の純水製造システムにおいて、前記電気式脱イオン装置は、前記電気式脱イオン装置の、濃縮室及び電極室に通じる共通入口ノズルを有し、前記第１のバイパス管及び前記第２のバイパス管はいずれも前記共通入口ノズルに接続されることが好ましい。
本発明の純水製造システムにおいて、前記電気式脱イオン装置は、前記電気式脱イオン装置の、濃縮室に通じる濃縮室入口ノズルと電極室に通じる電極室入口ノズルとを有し、前記第１のバイパス管は前記電極室入口ノズルに接続され、前記第２のバイパス管は前記濃縮室入口ノズルに接続されることが好ましい。
本発明の純水製造システムにおいて、前記濃縮室及び前記電極室内にイオン交換体を有することが好ましい。
本発明の純水製造システムにおいて、紫外線酸化装置で処理された処理水の過酸化水素濃度が１００μｇ／Ｌ以下であることが好ましい。
本発明の純水製造方法は、原水を、逆浸透膜装置と、紫外線酸化装置と、電気式脱イオン装置とで順に処理する純水製造方法であって、前記電気式脱イオン装置は、交互に配置されたカチオン交換膜及びアニオン交換膜と、前記カチオン交換膜及びアニオン交換膜の間に交互に形成された濃縮室及び脱塩室と、前記カチオン交換膜及びアニオン交換膜の外側に配置される１対の電極室と、を備えており、前記紫外線酸化装置で処理された処理水を、前記電気式脱イオン装置の少なくとも脱塩室に供給し、前記逆浸透膜装置の透過水を、前記紫外線酸化装置を介さずに前記電気式脱イオン装置の電極室に供給することを特徴とする。
本発明の純水製造方法において、前記逆浸透膜装置の透過水を、前記紫外線酸化装置を介さずに前記電気式脱イオン装置の濃縮室に供給することが好ましい。
本発明の純水製造方法において、紫外線酸化装置で処理された処理水の過酸化水素濃度が１００μｇ／Ｌ以下であることが好ましい。
本発明の純水製造システム及び純水製造方法によれば、高水質の純水を長期間安定的に製造することができる。
以下、図面を参照して、実施形態を詳細に説明する。なお、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、これらの実施形態を、本発明の趣旨および範囲を逸脱することなく、変更または変形することができる。また、以下の複数の図面において同一の構成には同一の符号を付して、重複する動作については説明を省略する。
図１に示す実施形態の純水製造システム１は、逆浸透膜装置１０と、紫外線酸化装置（ＴＯＣ－ＵＶ）１１と、電気式脱イオン装置（ＥＤＩ）１２と、これらの装置を上流側からその順に接続する処理水管１３３を備える。純水製造システム１は、被処理水供給部２０から供給される被処理水を処理して純水を製造し、得られた純水を使用場所であるユースポイント（ＰＯＵ）１４に供給するシステムである。
純水製造システム１において、処理水管１３３は被処理水供給部２０から被処理水を逆浸透膜装置１０に供給する第１の処理水管１３３ａと、逆浸透膜装置１０の透過水を紫外線酸化装置１１に供給する第２の処理水管１３３ｂと、紫外線酸化装置１１で処理された処理水を電気式脱イオン装置１２に供給する第３の処理水管１３３ｃと、電気式脱イオン装置１２の透過水を純水の使用場所であるユースポイント１４に送液する第４の処理水管１３３ｄとからなる。
純水製造システム１は、逆浸透膜装置１０の透過水を紫外線酸化装置１１に供給する第２の処理水管１３３ｂから分岐して、逆浸透膜装置１０の透過水を電気式脱イオン装置１２に供給する第１のバイパス管１３１を有する。逆浸透膜装置１０には濃縮水を排出する排出管１３５が接続されている。
電気式脱イオン装置１２は、以下に例示するように、交互に配置されたカチオン交換膜及びアニオン交換膜と、これらのカチオン交換膜及びアニオン交換膜の間に交互に形成された濃縮室及び脱塩室を有している。また、電気式脱イオン装置１２は、カチオン交換膜及びアニオン交換膜の外側に配置される１対の電極室を備えている。
純水製造システム１において、電気式脱イオン装置１２には給水管として、第３の処理水管１３３ｃおよび第１のバイパス管１３１が接続されている。紫外線酸化装置１１から第３の処理水管１３３ｃを経て電気式脱イオン装置１２に供給される紫外線酸化装置１１で処理された処理水は、電気式脱イオン装置１２の少なくとも脱塩室に供給される。また、純水製造システム１において、逆浸透膜装置１０から第１のバイパス管１３１を経て電気式脱イオン装置１２に供給される逆浸透膜装置１０の透過水は、電気式脱イオン装置１２の電極室に供給される。また、電気式脱イオン装置１２には排水管として、脱イオン水である透過水を排出する第４の処理水管１３３ｄおよび濃縮水を排出する濃縮水排出管１３６が接続されている。
図２Ａおよび図２Ｂに、純水製造システム１で使用する電気式脱イオン装置１２の一例をおよび別の一例をそれぞれ概略的に示す。図２Ａに、紫外線酸化装置１１で処理された処理水が脱塩室と濃縮室に供給され、逆浸透膜装置１０の透過水が電極室に供給される場合の電気式脱イオン装置１２の例を示す。図２Ｂに、紫外線酸化装置１１で処理された処理水が脱塩室に供給され、逆浸透膜装置１０の透過水が電極室と濃縮室に供給される場合の電気式脱イオン装置１２の例を示す。なお、電気式脱イオン装置１２において、脱塩室、濃縮室、電極室の通水方向は、図２Ａおよび図２Ｂの向きに限定されない。例えば、脱塩室の通水方向と、濃縮室および電極室の通水方向を逆向きにすることもできる。
図２Ａに示す電気式脱イオン装置１２は、交互に配置されたカチオン交換膜２１とアニオン交換膜２２とを備えており、カチオン交換膜２１及びアニオン交換膜２２の間に濃縮室２３と脱塩室２４とが交互に形成されている。また、カチオン交換膜２１及びアニオン交換膜２２の外側には、陽極室２５ａと陰極室２５ｂからなる１対の電極室が配置されている。また、電気式脱イオン装置１２は、陽極室２５ａに隣接した陽極２６ａと、陰極室２５ｂに隣接した陰極２６ｂを備えており、陽極２６ａと陰極２６ｂ（以下、「電極２６ａ、２６ｂ」ともいう）は直流電圧を印加する電源２７に接続される。
図２Ａに示す電気式脱イオン装置１２は、第３の処理水管１３３ｃから供給される紫外線酸化装置１１で処理された処理水を、濃縮室２３及び脱塩室２４にそれぞれ供給する濃縮室給水管１２３及び脱塩室給水管１２４を有する。また、第１のバイパス管１３１から供給される逆浸透膜装置１０の透過水を、陽極室２５ａと陰極室２５ｂ（以下、「電極室２５ａ、２５ｂ」ともいう）に供給する電極室給水管１２５を有する。
図２Ａに示す電気式脱イオン装置１２は、脱塩室２４で脱イオン処理された脱イオン水（透過水）を第４の処理水管１３３ｄに移送する脱塩室排水管２２４を有する。また、濃縮室２３及び電極室２５ａ、２５ｂから排出されるイオン成分が濃縮された濃縮水を濃縮水排出管１３６に移送する濃縮室排水管２２３及び電極室排水管２２５を有する。
図２Ｂに示す電気式脱イオン装置１２は、濃縮室給水管１２３の上流側の接続先が第１のバイパス管１３１である以外は、図２Ａに示す電気式脱イオン装置１２と同じ構成である。
このように、純水製造システム１においては、逆浸透膜装置１０の透過水を、紫外線酸化装置１１で処理した後、第３の処理水管１３３ｃを介して電気式脱イオン装置１２の少なくとも脱塩室２４に供給するとともに、逆浸透膜装置１０の透過水を、紫外線酸化装置１１をバイパスして第１のバイパス管１３１を介して電気式脱イオン装置１２の少なくとも電極室２５ａ、２５ｂに供給する。濃縮室２３には、紫外線酸化装置１１で処理された処理水が供給されてもよく、逆浸透膜装置１０の透過水が供給されてもよい。ただし、濃縮室２３にイオン交換体が充填されている場合などには、逆浸透膜装置１０の透過水が供給されるのが好ましい。
上に説明した構成により、実施形態の純水製造システムにおいては、従来の純水製造システムと比べて、例えば、次のような効果が得られる。
紫外線酸化装置において過剰の紫外線照射が行われた場合、有機物の酸化分解に寄与しないＯＨラジカル同士が反応して過酸化水素が発生する。この発生した過酸化水素は、下流の電気式脱イオン装置が有する電極やイオン交換体を劣化させることがある。例えば、紫外線酸化装置の処理水を電気式脱イオン装置の脱塩室、電極室及び濃縮室に供給していた従来の純水製造システムでは、電気式脱イオン装置に電圧が印加された状態で、電極室に、紫外線酸化装置の処理水として過酸化水素含有水が供給される。その結果、電圧のエネルギーによって、過酸化水素による電極の腐食が促進され、脱塩室から排出される電気式脱イオン装置の透過水の水質の低下を招きやすくなる。
また、濃縮室にイオン交換体が充填されている場合には、このイオン交換体の劣化も促進され、電気式脱イオン装置の透過水の水質の低下を招きやすくなる。電気式脱イオン装置に、シリカやホウ素などの微量不純物の除去率を向上させるために、その許容上限付近での電圧が印加されることがあるが、このような場合は特に、電極やイオン交換体の腐食の進行による透過水の水質の低下が一層進みやすくなると考えられる。
これに対して、実施形態の純水製造システム１では、電気式脱イオン装置１２の少なくとも脱塩室２４には紫外線酸化装置１１で処理した処理水を供給しながら、電極室２５ａ、２５ｂ、又は電極室２５ａ、２５ｂと濃縮室２３には、紫外線酸化装置１１を経ていない逆浸透膜装置１０の透過水を導入することとした。これによれば、例えば、逆浸透膜装置１０の透過水を、紫外線酸化装置を経由して電気式脱イオン装置の脱塩室、電極室及び濃縮室に供給していた従来の純水製造システムにおける配管及びその接続箇所を変更することのみで、処理装置の数を増やすことなく、紫外線酸化装置で発生する過酸化水素による電気式脱イオン装置への悪影響を抑制することができる。
また、従来の方法では上記した電極やイオン交換体の腐食の進行を防ぐために、ユースポイントの直前段に配置される二次純水システムから、電気式脱イオン装置に水を供給することもあったが、実施形態の純水製造システム１ではこのような必要もない。また、純水製造システム１では、逆浸透膜装置１０の透過水が電気式脱イオン装置１２の電極室２５ａ、２５ｂ、又は電極室２５ａ、２５ｂと濃縮室２３の両方に供給されるため、電極室２５ａ、２５ｂ、又は電極室２５ａ、２５ｂと濃縮室２３における硬度スケールが起きにくく、また、電気式脱イオン装置１２の処理水のホウ素やシリカの水質悪化も軽減される。
実施形態の純水製造システムは、必要に応じて、逆浸透膜装置、紫外線酸化装置、電気式脱イオン装置とともに、これら以外のその他の水処理装置を有してもよい。このようなその他の水処理装置として、例えば、脱気膜装置、真空脱気装置、イオン交換樹脂塔、硬度除去装置(ソフナー)、活性炭充填塔、凝集沈殿槽、ろ過装置等が挙げられ、脱気膜装置が好ましく用いられる。実施形態の純水製造システムがその他の水処理装置を有する場合、その配置箇所は逆浸透膜装置の前段であっても、上記各必須の水処理装置の間であっても、電気式脱イオン装置の後段であってもよい。
図３に示す、実施形態の純水製造システム１Ａは、その他の水処理装置として脱気膜装置を電気式脱イオン装置の後段に有する例である。図３に示す純水製造システム１Ａは、逆浸透膜装置１０と、紫外線酸化装置１１と、電気式脱イオン装置１２Ａと、脱気膜装置（ＭＧＤ）１３とこれらの装置を上流側からその順に接続する処理水管１３３を備える。具体的には、逆浸透膜装置１０、紫外線酸化装置１１、電気式脱イオン装置１２Ａ及び脱気膜装置１３は第２の処理水管１３３ｂ～第４処理水管１３３ｄにより接続されている。逆浸透膜装置１０には、第１の処理水管１３３ａを介して被処理水が供給される。脱気膜装置１３の透過水は第５の処理水管１３３ｅによって純水の使用場所であるユースポイント（ＰＯＵ）１４に送液される。
純水製造システム１Ａは、第２の処理水管１３３ｂから分岐して電気式脱イオン装置１２Ａまで延びる第１のバイパス管１３１および第２のバイパス管１３２を備える。
電気式脱イオン装置１２Ａは、例えば、濃縮室給水管１２３の接続先を除いて図２Ｂに示すのと同様の構成の電気式脱イオン装置とすることができる。電気式脱イオン装置１２Ａは、電気式脱イオン装置内部の濃縮室２３に通じる濃縮室入口ノズル２３ｃと、脱塩室２４に通じる脱塩室入口ノズル２４ｃと、電極室２５ａ、２５ｂに通じる電極室入口ノズル２５ｃとを備えている。
図３に示す純水製造システム１Ａにおいては、第３の処理水管１３３ｃは、電気式脱イオン装置１２Ａの脱塩室入口ノズル２４ｃに接続されており、逆浸透膜装置１０と、紫外線酸化装置１１とで順に処理された処理水が電気式脱イオン装置１２Ａの脱塩室２４に供給される。
第２の処理水管１３３ｂから分岐して設けられた第１のバイパス管１３１は、電気式脱イオン装置１２Ａの電極室入口ノズル２５ｃに接続されている。また、第２の処理水管１３３ｂから分岐して設けられた第２のバイパス管１３２は、電気式脱イオン装置１２Ａの濃縮室入口ノズル２３ｃに接続されている。第１のバイパス管１３１は、逆浸透膜装置１０の透過水を、紫外線酸化装置１１を介さずに電気式脱イオン装置１２Ａの電極室２５ａ、２５ｂに供給する。第２のバイパス管１３２は、逆浸透膜装置１０の透過水を、紫外線酸化装置１１を介さずに電気式脱イオン装置１２Ａの濃縮室２３に供給する。
なお、図３に示す純水製造システム１Ａにおいて、第２のバイパス管１３２を第２の処理水管１３３ｂから分岐させる代わりに、第３の処理水管１３３ｃから分岐させることも可能である。その場合、電気式脱イオン装置１２Ａの濃縮室２３には、紫外線酸化装置１１で処理された処理水が供給される。
図３に示す純水製造システム１Ａにおいて、電極室入口ノズル２５ｃと濃縮室入口ノズル２３ｃをそれぞれ独立して有する電気式脱イオン装置１２Ａを使用する例について説明した。実施形態の純水製造システムにおいては、例えば、電極室入口ノズルと濃縮室入口ノズルを兼ねた共通入口ノズルを有する電気式脱イオン装置を用いてもよい。
図４に示す純水製造システム１Ｂは、電気式脱イオン装置１２Ａを電気式脱イオン装置１２Ｂに代えた以外は図３に示す純水製造システム１Ａと同様の構成の純水製造システムである。電気式脱イオン装置１２Ｂは、電極室入口ノズル２５ｃと濃縮室入口ノズル２３ｃを、これら２つのノズルを兼ねた共通入口ノズル３１ｃに代えた以外は電気式脱イオン装置１２Ａと同様の構成を有する。純水製造システム１Ｂでは、第１のバイパス管１３１及び第２のバイパス管１３２の両方が電気式脱イオン装置１２Ｂの共通入口ノズル３１ｃに接続されている。
電気式脱イオン装置１２Ｂでは、紫外線酸化装置１１で処理された処理水が脱塩室２４に供給され、逆浸透膜装置１０の透過水が電極室２５ａ、２５ｂと濃縮室２３に供給される。
なお、図４に示す純水製造システム１Ｂにおいては、第２のバイパス管１３２を配設せずに、第１のバイパス管１３１に第２のバイパス管の機能を併せもたせるようにしてもよい。
次に、図３に示す純水製造システム１Ａを用いた純水製造方法を例にして実施形態の純水製造方法について説明する。また、併せて、実施形態の純水製造システムに用いる逆浸透膜装置、紫外線酸化装置、及び電気式脱イオン装置を詳細に説明する。
純水製造システム１Ａで処理される被処理水は、例えば、原水または前処理部により前処理された原水である。原水は必要に応じて前処理部によって前処理されて、逆浸透膜装置１０に供給される。原水としては、市水、井水、地下水、工業用水、半導体製造工場などで使用され、回収されて前処理された水（回収水）などが使用される。前処理部は、原水中の懸濁物質を除去して、前処理水を生成する。前処理部は例えば、原水中の懸濁物質を除去するための砂ろ過装置、精密ろ過装置等を適宜選択して構成され、さらに必要に応じて前処理水の温度調節を行う熱交換器等を備えて構成される。なお、原水の水質によっては、前処理部は省略してもよい。
逆浸透膜装置１０では、被処理水を逆浸透膜ろ過して被処理水中の塩類やイオン性の有機物、コロイド性の有機物等を除去する。逆浸透膜装置１０が有する逆浸透膜としては、例えば、三酢酸セルロース系非対称膜や、ポリアミド系、ポリビニルアルコール系又はポリスルホン系の複合膜等が挙げられる。膜形状は、シート平膜、スパイラル膜、管状膜、中空糸膜等であるが、これらに限定されない。なかでも、阻止率が高い点で、ポリアミド系の複合膜であることが好ましく、架橋全芳香族ポリアミド系の複合膜であることがより好ましい。膜形状は、スパイラル膜であることが好ましい。
逆浸透膜装置１０の脱塩率は、９６～９９．８％であることが好ましい。脱塩率は、２５℃、ｐＨ＝７、ＮａＣｌ濃度０．２質量％の給水を水回収率１５％、給水圧力は標準圧力（例えば、低圧逆浸透膜装置なら１．５ＭＰａ、超低圧逆浸透膜装置なら０．７５ＭＰａ）で逆浸透膜に通水した際のナトリウムイオンの除去率として計測することができる。逆浸透膜装置１０の水回収率は、塩類やイオン性の有機物を効率的に除去する点で、６０～９８％が好ましく、８０～９５％がより好ましい。
逆浸透膜装置１０は、超低圧型、低圧型、高圧型の逆浸透膜装置のいずれであってもよく、超純水の製造効率の点から、超低圧型又は低圧型の逆浸透膜装置であることが好ましい。また、逆浸透膜装置１０の前段には、被処理水を所定の圧力に加圧して逆浸透膜装置１０に供給する給水ポンプが備えられることが好ましい。また、逆浸透膜装置１０の給水には、必要に応じて、スケール防止剤、制菌剤、ｐＨ調整剤等が添加されてもよい。
ここで、超低圧型の逆浸透膜は、運転圧力が、０．４ＭＰａ～０．８ＭＰａであり、好ましくは０．６ＭＰａ～０．７ＭＰａである。低圧型の逆浸透膜は、運転圧力が０．８ＭＰａを超え２．５ＭＰａ未満であり、好ましくは１ＭＰａ～１．６ＭＰａである。高圧型の逆浸透膜は、運転圧力が２ＭＰａを超え８ＭＰａ以下であり、好ましくは５ＭＰａを超え６ＭＰａ以下である。なお、上記超低圧型、低圧型、高圧型は、各逆浸透膜の製造時の設計圧力（標準圧力）で区別したものであるが、実際には、上記範囲以外の圧力で運転されることもある。
逆浸透膜装置１０は、２基の逆浸透膜装置を直列に接続した２段逆浸透膜装置で構成してもよい。この場合、塩類やイオン性の有機物を効率的に除去する点で、水回収率は、第１段の逆浸透膜装置では６０～９８％が好ましく、８０～９５％がより好ましい。第２段の逆浸透膜装置では、８０～９５％が好ましく、８５～９５％がより好ましい。
逆浸透膜装置１０の市販品としては、東レ社製のＴＭ８２０Ｋ－４００、ＴＭ７２０－４００、ＴＭ７２０Ｄ－４００、ＳＵＬ－Ｇ２０、ＤＯＷ社製のＢＷ３０－４００、ＢＷ３０－４００ＦＲ、日東電工社製のＣＰＡ５、ＣＰＡ５－ＬＤ等を使用することができる。
逆浸透膜装置１０の透過水は、次いで、紫外線酸化装置１１に導入される。紫外線酸化装置１１は、逆浸透膜装置１０の透過水に紫外線を照射して、水中の有機物成分（ＴＯＣ）を分解除去する。紫外線酸化装置１１は例えば、紫外線ランプを有し、波長１８５ｎｍ付近の紫外線を発生する装置である。紫外線酸化装置１１は、さらに波長２５４ｎｍ付近の紫外線を発生してもよい。紫外線酸化装置１１内で水に紫外線が照射されると紫外線が水を分解してＯＨラジカルを生成し、このＯＨラジカルが、水中の有機物を酸化分解する。
紫外線酸化装置１１において過剰の紫外線照射が行われた場合、有機物の酸化分解に寄与しないＯＨラジカル同士が反応して過酸化水素が発生する。この発生した過酸化水素は、下流の電気式脱イオン装置１２Ａが有する電極２６ａ、２６ｂやイオン交換体を劣化させることがある。紫外線酸化装置１１から流出する過酸化水素を低減して、下流の電気式脱イオン装置１２Ａが有する電極２６ａ、２６ｂやイオン交換体の劣化を抑制するために、紫外線酸化装置１１における紫外線照射量は、０．０２～０．５ｋＷｈ／ｍ３であることが好ましい。紫外線酸化装置１１で処理された処理水中の過酸化水素濃度は、１００μｇ／Ｌ以下であることが好ましく、より好ましくは、１０μｇ／Ｌ～４０μｇ／Ｌ程度である。
紫外線酸化装置１１の処理水は、第３の処理水管１３３ｃを介して、電気式脱イオン装置１２Ａの脱塩室入口ノズル２４ｃから、脱塩室２４内に供給される。電気式脱イオン装置１２Ａの濃縮室２３と電極室２５ａ、２５ｂには、それぞれ第２のバイパス管１３２及び第１のバイパス管１３１を介して、逆浸透膜装置１０の透過水が供給される。
なお、電気式脱イオン装置１２Ａを用いた図３に示す純水製造システム１Ａにおいて、第２のバイパス管１３２を第２の処理水管１３３ｂから分岐させる代わりに、第３の処理水管１３３ｃから分岐させて、紫外線酸化装置１１の処理水を電気式脱イオン装置１２Ａの脱塩室２４と濃縮室２３に、逆浸透膜装置１０の透過水を電極室２５ａ、２５ｂに供給させてもよい。このように、実施形態の純水製造方法においては、紫外線酸化装置の処理水を電気式脱イオン装置の少なくとも脱塩室に供給し、逆浸透膜装置の透過水を電気式脱イオン装置の少なくとも電極室に供給するものである。
電気式脱イオン装置１２Ａの構成は上記のとおりである。電気式脱イオン装置１２Ａにおいて、脱塩室２４には、イオン交換体が充填されている。濃縮室２３、電極室２５ａ、２５ｂ内は空洞であってもよいし、イオン交換体、活性炭、又は金属等からなる電気導電体が充填されていてもよい。
このとき、電気式脱イオン装置１２Ａの脱塩室２４内に供給される水の量と、電気式脱イオン装置１２Ａの濃縮室２３内及び電極室２５ａ、２５ｂ内に供給される水の合計量の比は、（脱塩室２４内に供給される水）／（濃縮室２３内及び電極室２５ａ、２５ｂ内に供給される水の合計）で表わされる比の値で６～２０であることが好ましい。これにより、電気式脱イオン装置１２Ａの劣化抑制効果と、処理水質向上効果を向上させやすくなる。
電気式脱イオン装置１２Ａにおいて、脱塩室２４と接して陽極２６ａ側に配置されるイオン交換膜はアニオン交換膜２２であり、脱塩室２４と接して陰極２６ｂ側に配置されるイオン交換膜はカチオン交換膜２１である。また、電気式脱イオン装置１２Ａは、陽極２６ａと陰極２６ｂとの間に複数の脱塩室２４と濃縮室２３を交互に有することで、複数のセルが並置されるように構成されてもよい。
カチオン交換膜２１及びアニオン交換膜２２としては、膜の構造から不均質膜、半均質膜、均質膜があるが、均質膜であることが、イオン成分の除去効率の点、また、電気式脱イオン装置における抵抗増大の抑制の点で好ましい。
脱塩室２４に充填されるイオン交換体としては、カチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂を混合したイオン交換体を使用することができる。このカチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂の混合比は、体積比で、アニオン交換樹脂比率を２０～８０％であることがイオン成分の除去効率の点、また、電気式脱イオン装置１２Ａにおける抵抗増大の抑制の点で好ましい。イオン交換体としては、カチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂を流路方向に積層したイオン交換体を使用することも可能である。電極（陽極２６ａと陰極２６ｂ）は、例えば、陽極は白金族元素又は白金族元素を被覆した金属材料で、陰極はステンレスで構成される。
電気式脱イオン装置１２Ａにおいては、濃縮室２３又は電極室２５ａ、２５ｂにイオン交換体としてイオン交換樹脂が充填されていることが好ましい。濃縮室２３又は電極室２５ａ、２５ｂにイオン交換樹脂が充填されている場合、本発明の方法を用いると、濃縮室２３又は電極室２５ａ、２５ｂのイオン交換樹脂の劣化が抑制されるため、電気式脱イオン装置１２Ａの劣化が抑制され、高品質の水質の処理水を継続的に得ることができる。なお、イオン交換樹脂は、濃縮室２３又は電極室２５ａ、２５ｂのいずれかに充填されていれば、本発明の効果が顕著に得られ、濃縮室２３と電極室２５ａ、２５ｂの両方に充填されていれば、本発明の効果がさらに顕著に得られる。
なお、図２Ａに示す電気式脱イオン装置１２のように、逆浸透膜装置１０の透過水が電極室２５ａ、２５ｂのみに供給される場合は、イオン交換樹脂が電極室２５ａ、２５ｂに充填されている場合に、本発明の効果が顕著である。
電気式脱イオン装置１２Ａにおいては、被処理水は脱塩室２４の一端から供給されて、脱塩室２４の他端から流出する。この過程で、被処理水中のイオン成分が脱塩室２４内のイオン交換体に吸着される。また、このときに、陽極２６ａ及び陰極２６ｂ間に整流された直流電流が供給される。当該電流は、脱塩室２４内の被処理水の流れと直交する方向に流れる。この電流により水が水素イオンと水酸化物イオンに解離して、この解離した水素イオンと水酸化物イオンがそれぞれイオン交換体に吸着されたイオン成分と交換する。交換されたイオン成分は、濃縮室２３、陽極室２５ａ及び陰極室２５ｂに移動し、これらを経て電気式脱イオン装置１２Ａから濃縮水排出管１３６を介して流出される。
電気式脱イオン装置１２Ａにおける水回収率は９０～９６％が好ましく、電気式脱イオン装置１２Ａにおける電流密度は、３００～３０００ｍＡ／ｄｍ２であることが好ましく、１５００～２５００ｍＡ／ｄｍ２であることがより好ましい。電流密度が３００ｍＡ／ｄｍ２以上になると通常過酸化水素による電極腐食が起こり易いが、実施形態の純水製造システムでは、電気式脱イオン装置の少なくとも電極室に、好ましくは電極室と濃縮室に、紫外線酸化装置を経ていない水を供給するため、これを抑制することができるためである。また、電流密度をより好ましい範囲とすることにより、ホウ素等の弱電解質の除去率を長期間安定させることができる。
電気式脱イオン装置１２Ａとしては、市販の電気式脱イオン装置が使用可能である。電気式脱イオン装置１２Ａの市販品としては、例えば、ＶＮＸ５０、ＶＮＸ５５、ＶＮＸ－５５ＥＸ（以上、Ｅｖｏｑｕａ社製）、ＥＤＩ－５０（ＩＯＮＩＣＳ社製）などが使用可能である。
電源２７は、例えば交流電源から供給される交流（ＡＣ）電流を直流（ＤＣ）電流に変換する、ＡＣ－ＤＣ変換器である。電源２７は、電圧リップルが小さく、高水質の処理水を早期に得やすいことから、スイッチング方式によるＡＣ－ＤＣ変換器又は全波整流方式によるＡＣ－ＤＣ変換器が好適である。
電気式脱イオン装置１２Ａを経た透過水の水質は、１台を単段で用いてもホウ素濃度が例えば、１μｇ／Ｌ（ａｓ Ｂ、以下同じ。）以下、比抵抗が１７．５ＭΩ・ｃｍ以上を得ることができる。電気式脱イオン装置１２Ａは、１台を単段で用いてもよく、２台以上を直列に接続して複数段として用いてもよい。電気式脱イオン装置１２Ａを経た透過水は次いで、脱気膜装置１３に供給される。
脱気膜装置１３は、紫外線酸化装置１１で有機物成分が分解されて生じた炭酸ガスを主に除去する。脱気膜装置１３は、気体透過性の膜（脱気膜）の一次側に被処理水を通水しながら、膜の２次側を必要に応じて減圧することで被処理水中の溶存気体のみを２次側に移行させて除去する装置である。この膜の減圧側（二次側）には窒素等の不活性ガス源を接続し、脱気性能を向上させてもよい。脱気膜は、酸素、窒素、蒸気等のガスは通過するが水は透過しない膜であれば良く、例えば、シリコンゴム系、ポリテトラフルオロエチレン系、ポリオレフィン系、ポリウレタン系等の膜がある。
以上説明した実施形態の純水製造システムによれば、電気式脱イオン装置における電極やイオン交換体の劣化を抑制できるので、長期にわたって高水質の純水を得ることができる。また、逆浸透膜装置の透過水を少なくとも電極室に、好ましくは電極室と濃縮室に導入するため、シリカスケールを抑制することができるとともに、シリカやホウ素などの微量不純物の除去率向上や除去率低下の抑制の効果も得やすい。
次に実施例について説明する。本発明は以下の実施例に限定されない。
（実施例１及び比較例１）
図５は、実施例１及び比較例１に用いた純水製造システム５０の構成を示した図である。純水製造システム５０において、実施例１では、電気式脱イオン装置５３が使用され、比較例１では電気式脱イオン装置５４が使用される。それ以外は、純水製造システム５０が有する装置が、実施例１及び比較例１で共通して使用される。
図５は、実施例１及び比較例１に用いた純水製造システム５０の構成を示した図である。純水製造システム５０において、実施例１では、電気式脱イオン装置５３が使用され、比較例１では電気式脱イオン装置５４が使用される。それ以外は、純水製造システム５０が有する装置が、実施例１及び比較例１で共通して使用される。
純水製造システム５０は逆浸透膜装置５１（東レ（株）、ＴＭ８２０Ｋ－４００）と、紫外線酸化装置５２（日本フォトサイエンス（株）、ＡＵＶ－８０００ＴＯＣ、紫外線照射量０．３ｋＷｈ／ｍ３）を順に備えており、紫外線酸化装置５２の後段に、濃縮室と電極室にイオン交換樹脂が充填されている電気式脱イオン装置５３、５４（ＥＶＯＱＵＡ社、ＶＮＸ－５５ＥＸ、処理水量１０ｍ３／ｈ、水回収率９５％）が並列に配置されている。
純水製造システム５０には、逆浸透膜装置５１に被処理水を供給する補給水ライン５５ａ、逆浸透膜装置５１と紫外線酸化装置５２を接続する補給水ライン５５ｂ、紫外線酸化装置５２と電気式脱イオン装置５３、５４の各脱塩室入口を接続する補給水ライン５５ｃ、電気式脱イオン装置５３、５４の透過水をそれぞれ排出する処理水ライン５５ｄが設けられている。上記において補給水ライン５５ｂには逆浸透膜装置５１の透過水が流通する。逆浸透膜装置５１の濃縮水は排水管５７により排出される。電気式脱イオン装置５３、５４の濃縮水は排水管５６により排出される。
さらに、実施例１に用いる電気式脱イオン装置５３には、逆浸透膜装置５１の透過水を、紫外線酸化装置５２を介さずに、電気式脱イオン装置の電極室及び濃縮室入口へ供給するバイパス補給水ライン５３ａが接続されている。また、比較例１に用いる電気式脱イオン装置５４には、紫外線酸化装置５２の処理水を、電極室及び濃縮室に供給する補給水ライン５４ａが接続されている。
実施例１及び比較例１では、水道水を活性炭に通水して塩素を除去した被処理水を、補給水ライン５５ａより純水製造システム５０に供給し、２４時間の連続運転を行って、純水を製造した。この際、電気式脱イオン装置５３、５４では、電気式脱イオン装置の劣化による性能の低下を評価しやすくするため、直流電流を１８０Ｖの定電圧モードにて印加した。電流密度は通水初期時で１８１０ｍＡ／ｄｍ２であった。
運転開始直後（通水初期）及び運転開始後３００日を経過した時点で、各ポイント（逆浸透膜装置５１の透過水出口（補給水ライン５５ｂの逆浸透膜装置５１との接続点付近）、紫外線酸化装置５２の処理水出口（補給水ライン５５ｃの紫外線酸化装置５２との接続点付近）、電気式脱イオン装置５３、５４の透過水出口（各処理水ライン５５ｄの電気式脱イオン装置５３、５４との接続点付近））における水質（導電率［μＳ／ｃｍ］）を測定した。結果を表１に示す。
表１より、実施例１の純水製造システムにおいて、電気式脱イオン装置５３の透過水出口から排出される処理水の導電率は運転開始後３００日経過後も通水初期の値と変わらず、また、比較例１の純水製造システムにおける電気式脱イオン装置５４の透過水出口から排出される処理水の導電率と比較しても処理水の水質が向上していることがわかる。
（実施例２及び比較例２）
図５のシステムにおいて、濃縮室と電極室にイオン交換樹脂が充填されていない電気式脱イオン装置５３、５４（ＩＯＮＩＣＳ社、ＥＤＩ－５０、処理水量１０ｍ３／ｈ、濃縮水循環水量１５ｍ３／ｈ、水回収率９５％）を用い、実施例１及び比較例１と同じ試験を行った。なお、ＥＤＩ－５０は通常、濃縮水の循環と濃縮水への塩化ナトリウムの注入を必要とし、実施例２及び比較例２においても実施したが、図面では省略する。また、この際、電気式脱イオン装置５３、５４では、直流電流を５８０Ｖの定電圧モードにて印加した。電流密度は通水初期時で３１４ｍＡ／ｄｍ２であった。結果を表２に示す。
図５のシステムにおいて、濃縮室と電極室にイオン交換樹脂が充填されていない電気式脱イオン装置５３、５４（ＩＯＮＩＣＳ社、ＥＤＩ－５０、処理水量１０ｍ３／ｈ、濃縮水循環水量１５ｍ３／ｈ、水回収率９５％）を用い、実施例１及び比較例１と同じ試験を行った。なお、ＥＤＩ－５０は通常、濃縮水の循環と濃縮水への塩化ナトリウムの注入を必要とし、実施例２及び比較例２においても実施したが、図面では省略する。また、この際、電気式脱イオン装置５３、５４では、直流電流を５８０Ｖの定電圧モードにて印加した。電流密度は通水初期時で３１４ｍＡ／ｄｍ２であった。結果を表２に示す。
表２より、浸透膜装置の透過水を、紫外線酸化装置を介さずに電気式脱イオン装置の濃縮室及び電極室に供給する方法は、実施例２の純水製造システムのように濃縮室と電極室にイオン交換樹脂が充填されていない電気式脱イオン装置を用いた場合にも効果があることがわかる。しかしながら、実施例２の純水製造システムと比較例２の純水製造システムとの３００日後の処理水の水質の差は、上記実施例１と比較例１のように濃縮室と電極室にイオン交換樹脂が充填されている電気式脱イオン装置を用いた場合の処理水の水質の差よりも小さい。これは、濃縮室と電極室にイオン交換樹脂が充填されていない分、過酸化水素による影響を受ける箇所が少ないためと考えられる。
以上のように、逆浸透膜装置５１の透過水を電気式脱イオン装置５３の電極室入口への補給水として使用する実施例１、２の純水製造システムでは、紫外線酸化装置５２の出口の水を電気式脱イオン装置５４の脱塩室入口及び電極室入口への補給水として使用する比較例１、２の純水製造システムに比べて、長期にわたって導電率の低い処理水を供給できることが確認された。
以上、詳述したように、本発明による純水製造システムによれば、電気式脱イオン装置の電極室入口への補給水として、紫外線酸化装置の副生成物である過酸化水素を含まない逆浸透膜装置の透過水を用いることで、電極の腐食なく、長期にわたって高純度の処理水を提供することができる。
１，１Ａ，１Ｂ…純水製造システム、１０…逆浸透膜装置、１１…紫外線酸化装置（ＴＯＣ－ＵＶ）、１２，１２Ａ，１２Ｂ…電気式脱イオン装置（ＥＤＩ）、１３…脱気膜装置（ＭＤＧ）、１４…ユースポイント（ＰＯＵ）、２３ｃ…濃縮室入口ノズル、２４ｃ…脱塩室入口ノズル、２５ｃ…電極室入口ノズル、３１ｃ…共通入口ノズル、１３１…第１のバイパス管、１３２…第２のバイパス管、１３３…処理水管、２１…カチオン交換膜、２２…アニオン交換膜、２３…濃縮室、２４…脱塩室、２５ａ…陽極室、２５ｂ…陰極室、２６ａ…陽極、２６ｂ…陰極、２７…電源。
Claims (9)
- 逆浸透膜装置と、紫外線酸化装置と、電気式脱イオン装置と、これらの装置を上流側からその順に接続する処理水管を備える純水製造システムであって、
前記電気式脱イオン装置は、交互に配置されたカチオン交換膜及びアニオン交換膜と、
前記カチオン交換膜及びアニオン交換膜の間に交互に形成された濃縮室及び脱塩室と、
前記カチオン交換膜及びアニオン交換膜の外側に配置される１対の電極室と、を備えており、
前記処理水管は前記紫外線酸化装置で処理された処理水を前記電気式脱イオン装置の少なくとも脱塩室に供給するように前記電気式脱イオン装置に接続されるとともに、
前記純水製造システムは、前記逆浸透膜装置の透過水を前記紫外線酸化装置を介さずに前記電気式脱イオン装置の電極室に供給する第１のバイパス管を具備することを特徴とする純水製造システム。 - 前記逆浸透膜装置の透過水を、前記紫外線酸化装置を介さずに前記電気式脱イオン装置の濃縮室に供給する第２のバイパス管をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の純水製造システム。
- 前記電気式脱イオン装置は、前記電気式脱イオン装置の、濃縮室及び電極室に通じる共通入口ノズルを有し、
前記第１のバイパス管及び前記第２のバイパス管はいずれも前記共通入口ノズルに接続されることを特徴とする請求項２に記載の純水製造システム。 - 前記電気式脱イオン装置は、前記電気式脱イオン装置の、濃縮室に通じる濃縮室入口ノズルと電極室に通じる電極室入口ノズルとを有し、
前記第１のバイパス管は前記電極室入口ノズルに接続され、
前記第２のバイパス管は前記濃縮室入口ノズルに接続されることを特徴とする
請求項２に記載の純水製造システム。 - 前記電極室内及び前記濃縮室内にイオン交換体を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の純水製造システム。
- 前記紫外線酸化装置で処理された処理水の過酸化水素濃度が１００μｇ／Ｌ以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の純水製造システム。
- 原水を、逆浸透膜装置と、紫外線酸化装置と、電気式脱イオン装置とで順に処理する純水製造方法であって、
前記電気式脱イオン装置は、交互に配置されたカチオン交換膜及びアニオン交換膜と、
前記カチオン交換膜及びアニオン交換膜の間に交互に形成された濃縮室及び脱塩室と、
前記カチオン交換膜及びアニオン交換膜の外側に配置される１対の電極室と、を備えており、
前記紫外線酸化装置で処理された処理水を、前記電気式脱イオン装置の少なくとも脱塩室に供給し、
前記逆浸透膜装置の透過水を、前記紫外線酸化装置を介さずに前記電気式脱イオン装置の電極室に供給することを特徴とする純水製造方法。 - 前記逆浸透膜装置の透過水を、前記紫外線酸化装置を介さずに前記電気式脱イオン装置の濃縮室に供給することを特徴とする請求項７に記載の純水製造方法。
- 前記紫外線酸化装置で処理された処理水の過酸化水素濃度が１００μｇ／Ｌ以下であることを特徴とする請求項７又は８に記載の純水製造方法。
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